定向爆破坝坝体结构与渗透特性的研究

1、    定向爆破坝坝体结构与渗透特性的研究            作者：陈斌林 王葆沂 陈耀时间：2007-11-25 12:15:00                     摘要：本文提供了已衣定向爆破坝观测研究结果，主要是：(1)研究

2、了坝体结构特性与渗透稳定机理；(2)进行两年直接挡水试验；(3)初步查明坝内渗流的水面分布、流态及水头损失；(4)给出了单宽坝体渗流量计算方法与经验表达式. 关键词：定向爆破坝 原型观测 挡水度 单宽坝体渗流量 渗透稳定  云南省柴石滩水库大坝可行性论证阶段定为定向爆破坝，而初步设计审定的却是面板堆石坝，坝型改变的原因之一，是缺乏未做防渗体的爆破坝直接挡水(特别是高水头)可靠性的工程实践与经验.据此，作者选择典型爆破坝、云南省己衣水库大坝进行了直接挡水(特别是高水头挡水)的实践与原型观测，为发展定向爆破筑坝技术提供科学依据.己衣水库大坝1978年5月采用定向爆破筑坝技术一次爆破筑成，

3、平均堆积高度83.6m,最低马鞍点高74.2m,爆后基本上未进行坝面整形与防渗处理.1原型观测的主要内容与途径1.1坝体探井在坝体上人工开挖4个试验探井，其中、顺序布置在原顺河向河槽纵剖面上，井位于坝顶坝轴线上，、 间平面距离分别为 63.5m 与 59.5m， 井布置在 下游侧 30m 右岸坡上.1.2坝体渗流量在坝上游面岸坡设水位尺测量库水位，用下游坝脚处专门建筑截水墙与量水堰观测坝体渗流量.1.3坝内渗流水面在坝体上钻了5个坝内渗流水面观测孔，单孔最深 73.2m，孔分布于探井同一纵剖面，水位量测误差估计不超过1cm.2坝体结构特性的研究与分析2.1坝体土石料颗粒组成探井试验段总计113

4、段，每段出井土石料全部按粒径分级(或筛分)和称重，实测资料绘制的113条颗分曲线，其不均匀系数 Cu 与曲率系数 Ce的变化范围很大，不同探井或同一探井不同试验段颗分曲线的差异明显.图1为各井的平均颗分曲线与坝体(总平均)颗分曲线，可见其颗粒组成普遍偏粗，并呈现向下游增大的趋势.坝体粗粒与细料含量：各井 d1000mm 粗粒平均含量范围是3.20%34.81%，平均为19.5%；细料d5mm 变化范围是11.44%14.66%，平均值 13%.2.2土石料干密度表1示出了各井土石料干密度与其他特性指标的平均值.由表1看出：各探井平均干密度比较接近，数理统计分析实测数据呈正态分布，有90%的试验

5、段干密度在1.882.32t/m3 之间.干密度随探井深度的变化列于表2.由表2看出：表层干密度比其下两层的明显偏小，其孔隙率呈现相反的变化.图1 各探井平均颗分曲线与总平均(坝体)颗粒分曲表1 各井土石料干密度及其他特征(平均值)探井编号试验组数密度/(t/m)混合含水量W/(%)干密度d/(t/m)孔隙率n/(%)332.273.792.1922302.254.092.1623262.243.862.1624242.254.152.1623平均(总计113)2.253.972.17232.3渗透系数探井每挖深 35m 用单环注水法测定坝体渗透系数，共测得35组数据，实测结果见表3.由表3知

6、：4个探井平均渗透系数值相差约2倍，但35组渗透系数变化范围为3.0×10-37.2×10-1cm/s，相差240倍，说明其透水性变化很大.表2 分段统计各井的干密度d(t/m)与孔隙率n(%,括号内数字)井深/m平均0102.12(25)2.07(27)2.07(27)2.07(27)2.08(26.5)10202.27(20)2.21(22)2.29(19)2.22(21)2.25(20.5)20302.20(22)2.20(22)2.10(26)2.23(21)2.18(22.8)302.17(23)表3 实测坝体渗透系数值探井编号平均值测定组数13787(总计35)

7、平均渗透系数K/×10-1(cm/s)3.43.71.93.13.02.4坝体与岸坡基岩的结合# 探井深 23.07m25.47m 处系坝体与岸坡基岩结合段.现场实测该段土石干密度2.26t/m3，d5mm细粒含量 24.05%，皆较坝体的平均值为高，未见架空现象，其结合状况良好，但发现岸坡基岩面渗水.3坝体渗透特性3.1降雨量W、库水位H与坝体渗流量Q的历时时程关系  图2示出了1993年度试验期间降雨量W、库水位H与坝体渗流量Q的历时过程线，可见库水主要源于降雨的地表径流、库水位与渗流量的时程有基本同步的变化趋势，渗流量主要源于库水.3.2不同的坝体水头h及渗流量Q的累

8、计持续时间t(d)表4给出了坝体不同水头和不同渗流量的累计持续时间 t(d)，足见坝体高水头挡水持续时间相当长.图2 降雨量W、库水位H与坝体渗流量Q的历时时程关系 表4 坝体不同水头h、不同渗流量Q的持续时间t(d)时 间水头h/m不同渗流量Q/m/s656050403.02.01.00.11991年度8489019538791891993年度763122238314741983.3单宽坝体渗流量q的分析研究1993年度试验实测坝体渗流量与相应的水头数据共127对，以此为基础进行单宽坝体渗流量的分析研究.首先根据己衣坝爆前坝址地形图，求得该坝坝轴线断面面积与坝高的关系(即坝体渗流过水断面面积

9、与水头的关系)为： (1)式中：A坝轴线坝体断面面积，m2；h坝体水头，m;用相等水头h的等效矩形断面棱柱河槽替代己衣坝轴线实际断面天然河槽，则等效矩形河槽宽B(m)为：(2)则实测不同水头 hi的单宽坝体渗流量qi为(3)进而应用最小二乘法拟合求得了单宽坝体流量q与水头h关系的经验表达式为：(4)相关系数r=0.994.式(4)由己衣坝实测资料推演求得，分析中以水头为主要参数，并计入了渗透过水断面影响；依据可靠，计算简便，具有工程应用价值.3.4坝体挡水度作者提出并引入了“坝体挡水度的概念，定义为坝体水头h 与坝高 H 之比(即=(h)/(H).在正常高水位水头作用下，坝体处于最大容许的工作

10、状态，称此工况为“正常高水位挡水度 ”.简称“正常挡水度”，以正常挡水度0为指标，几个高土石坝工程0 与己衣坝试验的比较结果见表5，不过己衣坝高以最低马鞍点高度暂代，正常高水位水头也以蓄水最高水头代表. 由表5知：南水等5个有防渗体的高土石坝0变化范围为0.9130.94，平均值为0.929，图3 坝内渗流观测孔平面相对位置与己依坝1993年直接挡水=0.924差约0.5%，与1991年的相差约3.52%，表明不做防渗体的定向爆破坝是完全可以直接挡水的.表5 高土石坝工程正常挡水度0与己衣坝试验挡水度的比较坝名南水石砭峪鲁布格石头河碧口己衣坝型粘土斜墙爆破堆石坝沥青混凝土斜墙爆破堆石坝风化料心

11、墙堆石坝粘土心墙土石坝壤土心墙土石坝定向爆破堆石坝坝高/m81.385.0103.5102.0101.874.2正常高水位水头/m74.279.595.595.095.868.54(66.55)*正常挡水度00.9130.9350.9230.9310.9410.924(0.897)* 注：括号中数字为己衣坝1991年度挡水试验数据.3.5坝内渗流的水面分布，水头损失与流态3.5.1坝内各观测渗流水位历时变化过程  观测孔位置如图3，图4示出了实测的降雨量、库水位与坝内各孔渗流水位的历时变化过程， 可见接近上游面的、孔，其渗流水位总变化幅度与库水位总变化幅度相近，而距上游面愈远的孔水位

12、总变幅就愈小.图4 降雨量、库水位与坝内各孔渗流水位的历时变化过程3.5.2典型库水位(坝体水头)条件下坝内渗流水面分布与水头    损失   以最高与每下降近5m的库水位为典型工况，给出了坝内渗流水面的实测数据(见表6)，表里括号中数字是各孔渗流水位的降低值，忽略渗流流速水头，该值即沿程的损失水头.表中并以位于最下游的5# 孔为例，求得其区间渗流沿程损失达(0.760.83)h,平均约为0.80h.典型水头渗流纵剖面图见图5.表6 典型坝体水头h与坝内各观测孔渗流水头实测数据/m日期典型坝体水头1孔2孔3孔4孔6孔5孔(h*5h)渗流量Q/(

13、m/s)1993.9.368.5457.52(11.02)50.34(18.20)34.61(33.93)26.18(42.36)/16.48(52.08)0.763.231993.9.765.0355.54(9.49)48.41(16.62)32.51(32.52)24.06(40.97)/14.82(50.21)0.772.341993.11.259.9651.31(8.65)45.41(14.82)29.05(30.91)20.85(39.11)13.56(46.40)11.84(48.12)0.801.161993.11.2654.9648.00(6.96)42.06(12.90)26.14(28.82)19.64(35.32)12.01(42.95)10.82(44.14)0.800.721993.12.2649.9443.93(6.01)38.06(11.88)21.47(28.47)17.34(32.60)9.92(40.02)8.47(41.47)0.830.37